CICLO DE KREBS, CADEIA RESPIRATÓRIA E FOSFORILAÇÃO OXIDATIVA

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Nicole Siqueira de Arruda CB USP FMRP
VISÃO GERAL
● Respiração celular: processo molecular pelo qual há consumo de O2 e produção
de CO2.
1° estágio⇒ ácidos graxos, glicose e aminoácidos→ oxidação parcial (doação de e-).
- Convergem para a produção de Acetil-CoA (intermediário central)→ Coenzima A
age como carreador do acetil para várias vias.
2° estágio⇒ carbonos totalmente oxidados a CO2 e liberação de elétrons→ Ciclo de
Krebs / ácido cítrico.
3° estágio⇒ e- coletados por meio de NADH e FADH têm sua energia armazenada na
forma de ATP→ Cadeia transportadora de elétrons e fosforilação oxidativa - membrana
interna da mitocôndria.
CICLO DE KREBS
● A cada rodada, grupamentos Acetil-CoA proveniente das vias catabólicas
ingressam no ciclo: Oxalacetato + Acetil-CoA → citrato + CoA (liberada).
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● 2C são liberados em etapas de descarboxilação oxidativa na forma de CO2 ao
longo do ciclo→ formação de 2NADH (elétron migra)
● 2 etapas de desidrogenação (também são oxidações)→ formação de NADH e
FADH2.
● 4 cofatores reduzidos a cada ciclo.
● Geração de um GTP (ATP) de succinil-CoA→ Succinato: alta liberação energética.
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Condensação→ desidratação (pouca ∆ energética)→ 2 fases de descarboxilação
oxidativa, gerando molécula de 4C→ fosforilação ao nível do substrato (o substrato
doa a energia, pois possui > energia livre - diferente da produção na fosforilação
oxidativa)→ desidrogenação→ hidratação→ desidrogenação
Produção de acetil-CoA
● A conversão de piruvato em acetil-CoA ocorre no interior da mitocôndria, pelo
complexo piruvato desidrogenase (PDH)⇒ pode ser proveniente da glicólise, bem
como da oxidação de aminoácidos e da β-oxidação.
Piruvato + NAD+→ Acetil + CO2 + NADH
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● O complexo PDH é formado por múltiplas cópias de 3 enzimas:
1. Piruvato-desidrogenase, E1 (ligada ao cop=fator TPP)
2. Di-hidrolipoil-transacetilase, E2 (covalente// ligada ao grupo lipoil)
3. Di-hidrolipoil-desidrogenase, E3 (c/ fatores FAD e NAD)
Catalisa, em diversas etapas, a
descarboxilação oxidativa do
piruvato, liberando Acetil-CoA e
transferindo e- para o NAD+.
1° reação do ciclo de Krebs: Condensação
● Fornece carbono para o ciclo através da condensação do acetil-CoA com o
oxalacetato, gerando Citrato + CoA reduzida.
● Enzima: citrato sintase
● A ligação do tioéster possui bastante energia livre⇒ CoA ativa o Acetil para
formar o citrato→ fornece energia suficiente para torná-lo reativo
● CoA liberada nessa reação é reciclada para participar da descarboxilação
oxidativa de outra molécula de piruvato pelo complexo PDH.
2° reação: Formação de isocitrato cia cis-aconitato
Citrato→ (aconitase (aconitato-hidratase))⇒ Cis-aconitato + H2O→ isocitrato;
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● Ambas as reações são catalisadas pela aconitase, são reversíveis e dependendo da
conformação da ligação de H2O, pode ser formado citrato.
3° reação: Oxidação do isocitrato a α-cetoglutarato e CO2
● Isocitrato + NAD+ (ou NADP+)→ (isocitrato-desidrogenase)→ α-cetoglutarato +
CO2 NADPH (ou NADH)
4° reação: Oxidação do α-cetoglutarato a succinil-CoA e CO2
α-cetoglutarato + NAD+ + CoA–SH→ (complexo α-cetoglutarato-desidrogenase)→
Succinil-CoA + CO2 + NADH
● Energia conservada para formação da ligação tioéster do succinil-CoA;
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5° reação: Conversão de succinil-CoA a succinato
Succinil-CoA + GDP + Pi→ (Succinil-CoA sintetase)→ succinato + GTP (ou ATP)
● Reação reversível
● A enzima também pode ser chamada Succinato-tiocinase
6° reação: Oxidação do succinato a fumarato
7° reação: Hidratação do fumarato a malato
Fumarato + H2O→ (Fumarase (Fumarato-hidratase))→ Malato
● Apresenta um carbânion em estado de transição
● Essa enzima é altamente estereoespecífica; ela catalisa a hidratação da ligação
dupla trans do fumarato, mas não a da ligação dupla cis do maleato
8° reação: Oxidação do malato a oxaloacetato
Malato + NAD→ (Malato-desidroganase)→ oxalacetato + NADH
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● Reação reversível
● Frequentemente deslocada para a esquerda em função das condições
termodinâmicas. No entanto, oxalacetato é continuamente removido pela reação
de condensação, deslocando a reação para a direita;
OBSERVAÇÕES
● Via anfibólica→ serve como catabólica e anabólica
● Essa via é o pivô do metabolismo intermediário.
● Recebe e doa intermediários de/para diversas vias.
Ex.: Oxaloacetato e α-cetoglutarato são produzidos a partir de aspartato e glutamato,
respectivamente, quando proteínas são degradadas;
● Deve ser precisamente regulado, tanto na velocidade, como no controle da
[integrantes]
Regulação de enzimas-chaves da via
● Catalisam etapas de grande ∆ energética dentro da via.
- Complexo piruvato-desidrogenase
- Citrato-sintase
- Isocitrato-desidrogenase
- Complexo da α-cetoglutarato-desidrogenase
- Succinato-desidrogenase
- Malato-desidrogenase
● O controle principal é pela regulação alostérica→ intermediários metabólicos são
ligantes alostéricos das enzimas, ativando ou desativando as enzimas.
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Exemplos:
Complexo piruvato desidrogenase:
● ATP, acetil-CoA, NADH, ácidos graxos→ inibem
*ácidos graxos vai pela via da B-oxidação, não precisa entrar no ciclo de Krebs.
● AMP, CoA livre, NAD+, Ca2+→ ativam
*AMP NAD + são produtos do uso de ATP→ demanda aumenta.
Citrato-sintase:
● NADH, Succinil-CoA, citrato, ATP → inibem
● ADP → ativa
Via anfibólica:
Muitos intermediários são doados para diferentes vias biossintéticas.
Exemplos:
● Citrato→ síntese de ácidos graxos e esteróis no citoplasma.
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● α-Cetoglutarato→ síntese de aminoácidos, como glutamato, a partir do qual outros
aminoácidos e nucleotídeos podem ser gerados
● Succinil-CoA→ síntese de Heme.
● Oxalacetato→ síntese de nucleotídeos, aminoácidos, glicose (através da
gliconeogênese).
Reações anapleróticas: fazem a reposição de intermediários do Ciclo de Krebs.
● Para manutenção do ciclo de Krebs, a [intermediários] cte, exceto pequenas
variações do acetil-CoA e do CO2 (liberado).
● Sob circunstâncias normais, há um equilíbrio dinâmico nas reações que desviam os
intermediários a outras vias e os repõem.
Ex.: fígado e rins de mamíferos:
Piruvato + CO2 + ATP→ (Piruvato-carboxilase)→ oxalacetato
● Acetil-CoA age como regulador alostérico positivo.
CADEIA RESPIRATÓRIA E FOSFORILAÇÃO
OXIDATIVA
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MITOCÔNDRIA
● A membrana interna é impermeável à maioria das moléculas pequenas e dos íons,
incluindo prótons (H+).
● É responsável por alojar os componentes da cadeia respiratória e a ATP-sintase.
● A matriz mitocondrial, delimitada pela membrana interna, contém o complexo da
piruvato-desidrogenase e as enzimas do ácido cítrico, β-oxidação e vias oxidativas
de aminoácidos.
● A fosforilação oxidativa começa com a entrada de elétrons na cadeia de
carregadores de elétrons, chamada de cadeia respiratória→ os elétrons são
gerados majoritariamente pela ação de desidrogenases.
● Os cofatores reduzidos fazem a transferência de e- para proteínas da cadeia
transportadora de elétrons (CTE)→ são doados para o O2 (aceptor)→ H2O
metabólica.
● A energia do fluxo de elétrons (4H+ + O2→ H2O) é utilizada para fosforilar ADP→ ATP
(não é sintetizado, mas fosforilado).
Cadeia respiratória mitocondrial
● Consiste em uma série de carregadores que agem sequencialmente, sendo a
maioria deles proteínas integrais com grupos prostéticos capazes de aceitar e doar 1
ou 2 e-.
● Ocorrem três tipos de transferência de elétrons na fosforilação oxidativa:
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1. Transferência direta de elétrons, como na redução de Fe3+ a Fe2+;
2. Transferência na forma de um átomo de hidrogênio (H+ + e-);
3. Transferência como um íon hidreto (:H-), que tem dois elétrons;
● Ocorre na membrana interna da mitocôndria, em contato com a matriz
mitocondriale com o espaço intermembrana.
● Na reação global catalisada pela cadeia respiratória mitocondrial, os elétrons se
movem do NADH, succinato ou outro doador primário de elétrons, por
flavoproteínas, ubiquinona, proteínas ferro-enxofre e citocromos e, finalmente, ao
O2.
Complexos
Complexo 1 - NADH-Oxidase (libera NAD+)→ catalisa a transferência de e- para um
carreador móvel: Coenzima Q – lipídeo
● Simultaneamente ocorre a passagem de 4 p+ da matriz para o espaço
intermembrana → bomba de prótons.
● Também chamada NADH ubiquinona-oxidorredutase ou NADH-desidrogenase.
Complexo 2 - Succinato desidrogenase: FADH2 é o grupamento prostético→ converte o
succinato em fumarato→ Coenzima Q.
● Transferem os e- do succinato para ubiquinona.
*Enzima que produz o malato
Complexo 3 - Citocromo (Heme-proteína): os elétrons fluem da ubiquinona p/ citocromo
C→ proteína solúvel no espaço intermembrana.
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Complexo 4 – Citocromo-Oxidase: recebe os e- do Citocromo C reduzido → reduz o O2 em
H2O
● O O2 é o aceptor final de e-: componente do circuito com maior afinidade por
e-→ fluxo de e- espontâneo e com ↑ ∆G.
● Processo oxidativo, pois consume oxigênio.
- A energia liberada é utilizada nos complexos I, III e IV (bombas de prótons)→
utilizada para bombear H+ (prótons) da matriz mitocondrial para o espaço
intermembrana.
- É um transporte ativo⇒ contra o gradiente [ ]
Complexo 5
ATP-Sintase: Enzima de fosforilação (porção intramitocondrial):
ADP + Pi→ ADP
∆G positivo
● O retorno dos prótons a favor do gradiente [ ] fornece energia para a
fosforilação do ADP.
Teoria quimiosmótica: importante para compreender o metabolismo energético
oxidativo
Potencial Químico (∆PH - [próton]) + Potencial Elétrico→ Força Protomotriz
(necessária para a síntese de ATP)
Cofatores reduzidos
NADH: Nicotinamida-adenina dinucleotídeo (oxidativo e reduzido)
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● Capacidade de interconversão entre as formas oxidada e reduzida→ hidrogenação
e desidrogenação intercaladas.
● H-→ os elétrons reduzem estruturas intermediárias no complexo enzimático, e
posteriormente são transferidos para a coenzima Q, acompanhado do
bombeamento do próton
ATP sintase
● Complexo proteico com diversas subunidades⇒ Subunidade Fo: canal de prótons -
localizada na membrana mitocondrial.
● A passagem de e- através da membrana mitocondrial via subunidade Fo promove
uma mudança conformacional→ rotação
● A subunidade γ (eixo) está ligada não covalentemente à subunidade Fo→ a
passagem de H+ promove a rotação de ambas, permitindo a fosforilação de ADP
pela porção F1 (intramitocondrial).
F1 (αβ): 6 subunidades (3β e 3α + γ)→ conformação vazia (sem afinidade por ADP, Pi ou
ATP), conformação ADP e conformação ATP;
● A interação com a subunidade γ promove a
transição entre as diferentes conformações.
conf. ADP (ADP + Pi)→ conf. ATP→ conf. vazia
● Alta afinidade por ADP e Pi (conversão em
ATP)→ alta afinidade por ATP→ baixa afinidade
por todos.
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Transporte de ATP para fora da mitocôndria
● Presença de enzimas transportadoras que regulam a quantidade ATP que sai e
ADP e Pi que entram.
● Para cada ATP gerado e transportado para o exterior, um ADP + Pi devem entrar no
interior da mitocôndria.
Acoplamento mitocondrial
● A produção de ATP deve estar acoplada ao consumo de O2→ atuam na mesma
velocidade
● Garante o princípio da eficiência energética, que age de acordo com as
necessidades.
● Com o consumo baixo em mitocôndria isolada, o aumento no fornecimento de ADP
gera o aumento do consumo de O2→ produção de ATP (- significativo)
● Em maior intensidade, quando um substrato oxidado é inserido, junto com ADP e
Pi, ocorre o aumento do consumo de oxigênio→ Aumenta síntese de ATP
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● A adição de um inibidor, como o cianeto (substitui o O2 no complexo 4)→ cessa o
consumo de O2 e a síntese de ATP.
● Desacoplador: mecanismo que permite o retorno dos prótons a favor do gradiente
de [ ]→ aumenta o consumo de O2, mas não a produção de ATP, pois o retorno não
ocorre via ATP-Sintase.
CONSEQUÊNCIAS DO DESACOPLAMENTO
● O desacoplamento pode ser um processo fisiológico;
● Uncolpling protein (UCP)→ permitem o retorno de prótons – liberação de energia na
forma de calor – processo termogênico;
● Em alguns momentos é tóxico, pois libera energia sem produção de ATP
REFERÊNCIA BIBLIOGRÁFICA (TEXTO E IMAGENS)
NELSON, David. L.; COX, Michael. M. Princípios de Bioquímica de Lehninger. Porto
Alegre - RS. Grupo A, 2018. 9788582715345. Disponível em:
https://integrada.minhabiblioteca.com.br/#/books/9788582715345/. Acesso em: 29 set.
2021.
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